CIII. Ueber die zweicylindrige Expansionsdampfmaschine; von W. Poole. Nach einem Vortrage in der Institution of Mechanical Engineers im Civil Engineer, August 1863, S. 223; aus dem polytechnischen Centralblatt, 1864 S. 561. Poole, über die zweicylindrige Expansionsdampfmaschine. Als der wichtigste Fortschritt in der Ausbildung der Dampfmaschine ist vom ökonomischen Standpunkte aus die Anwendung des Expansionsprincips zu bezeichnen, das im höchsten Grade bei den Cornwall'schen Wasserhebungsmaschinen ausgebeutet worden ist, weil die geradlinig fortschreitende Bewegung demselben besonders günstig ist, während bei Dampfmaschinen mit drehender Bewegung gewisse Schwierigkeiten erwachsen, welche die Anwendbarkeit des Expansionsprincips in engere Grenzen einschränken und die mit demselben verbundenen Vortheile auf ein geringeres Maaß zurückführen. Durch die Einführung zweier Cylinder statt eines einzigen können die Uebelstände, welche den Dampfmaschinen mit drehender Bewegung anhaften, beseitigt oder wenigstens in erheblichem Maaße vermindert werden. Worin diese Vorzüge der zweicylindrigen Maschinen bestehen, worauf sie beruhen und wie man sie bisher ausgebeutet hat, darüber sollen sich die nachfolgenden Zeilen verbreiten. Die Erfindung der zweicylindrigen Maschine steht in nahem Zusammenhang mit der Entdeckung und ersten Anwendung des Expansionsprincips selbst und rührt von Jonathan Hornblower her, einem verdienstvollen Ingenieur in Cornwall, der an der Einführung der Dampfmaschine in seinem Bezirke einen namhaften Antheil hat. Die erste Idee dazu scheint er im Jahre 1776, wenn nicht noch früher, aufgenommen zu haben. Er experimentirte an einem großen gangbaren Modell, dessen Cylinder 11 und beziehentlich 14 Zoll Durchmesser hatten, und veröffentlichte seine Erfindung im Jahre 1781, indem er als Eigenthümlichkeit derselben hervorhob, sie bestehe in der Anwendung von zwei Dampfcylindern, und der Dampf, der bereits im ersten Cylinder gearbeitet habe, arbeite dann noch im zweiten Cylinder, in dem er sich ausdehne; beide Cylinder seyen durch geeignete Dampfwege und Schieber mit einander verbunden. Zu gleicher Zeit beschrieb er kurz, aber deutlich einige andere Erfindungen, welche auf die Dampfmaschine Bezug hatten; von diesen betraf eine die Oberflächencondensation, welche heutzutage so häufig angewendet wird, eine andere die Fortschaffung der Luft und des Condensationswassers, und endlich noch eine andere einen Dampfkolben, der neuerdings ebenfalls, mit einigen Modificationen, in gewöhnlichem Gebrauche steht. Durch diese Erfindung war sowohl das theoretische Princip, als die praktische Anwendbarkeit der Expansion völlig klar dargelegt, und es kann gar kein Zweifel seyn, daß die erste Veröffentlichung des Expansionsprincips von Hornblower herrührt. Gewöhnlich wird allerdings die Erfindung der Expansion Watt zugeschrieben, und zwar auf Grund eines Briefes, welchen derselbe im Jahre 1769, also zwölf Jahre vor Hornblower's Publication, an seinen Freund, Dr. Small in Birmingham, gerichtet hat und in welchem er das allgemeine Princip der Expansion klar und deutlich beschreibt. Und doch scheint er trotz der bedeutenden Thätigkeit, die er damals entwickelte, nicht früher eine Anwendung von der Expansion im Interesse der Ersparniß gemacht zu haben, als im Jahre 1776, in welchem er zu Soho eine Maschine für Expansionsbetrieb umänderte. Im Jahre 1778 wurde ein anderer Versuch zu Shadwell gemacht, und erst im Jahre 1782, acht Monate nach Hornblower, veröffentlichte Watt seine die Expansion betreffende Erfindung. Die allzu eifrigen Freunde Watt's, welche – keineswegs in Watt's eigenem Sinne – seinen Ruhm auf Kosten Anderer zu überheben suchen, haben Hornblower vorgeworfen, er sey durch Erschleichung der Watt'schen Versuchsresultate zur Aufstellung des von ihm veröffentlichten Princips gelangt; man ist aber stets den Beweis für diese Anklage schuldig geblieben. Sie hat auch an sich selbst sehr wenig Wahrscheinlichkeit, um so weniger, als die Originalität der Hornblower'schen Erfindung von Watt selbst anerkannt worden ist. Hiernach ist die Erfindung der Benutzung des Dampfes durch Expansion, eines der wichtigsten und werthvollsten Principien im gesammten Gebiete der Industrie, Watt und Hornblower gemeinschaftlich zuzuschreiben. Die Priorität der Idee gebührt Watt, Hornblower dagegen die der Veröffentlichung über deren Anwendbarkeit bei der zweicylindrigen Maschine. In den nächstfolgenden Jahren verbreiteten sich die Hornblower'schen Maschinen in Cornwall rasch; man sah, daß die zweicylindrige Maschine ziemlich gut arbeitete, und stellte sie theilweise sogar über die eincylindrige Expansionsmaschine, die zu derselben Zeit ebenfalls in ausgedehnte Anwendung kam. Ohne den im Jahre 1769 erfundenen Condensator konnte aber Hornblower den Watt'schen Maschinen die Concurrenz nicht halten, und so kam es, daß in der Folge die zweicylindrige Maschine wieder außer Gebrauch gesetzt wurde. Beide, Hornblower sowohl, als Watt, hatten übersehen, daß zur möglichst vortheilhaften Benutzung der Expansion eine möglichst hohe Spannung des Dampfes beim Eintritt desselben in den Cylinder nothwendig ist. Bis zum Jahre 1814 betrug die Dampfspannung in den cornischen Maschinen nie über eine Atmosphäre, und man fand in der Anwendung der Expansion bei so geringer Dampfspannung so wenig reellen Vortheil, daß man, als Watt's unmittelbare Verbindung mit Cornwall aufhörte, die Expansion ganz aufgab und rasch vergaß. Das Verdienst, die Expansion ihrer Vergessenheit wieder entrissen zu haben, gebührt den beiden Cornwallern, Richard Trevithick und Arthur Woolf; beide führten fast zu gleicher Zeit in ihrer Gegend den wahren Hebel einer vortheilhaften Expansion, die Anwendung von Hochdruckdampf, ein; Trevithick wendete ihn beider eincylindrigen Watt'schen Maschine, Woolf bei der zweicylindrigen Hornblower'schen an. Neide Maschinenformen rivalisirten zum zweitenmale mit einander und haben lange Jahre hindurch ihre Concurrenz bestanden. Woolf veröffentlichte seine Erfindung im Jahre 1804 von London aus. Sie bestand lediglich in der Benutzung von Hochdruckdampf in Hornblower's zweicylindriger Maschine, die zugleich nach dem Vorgang der Watt'schen Maschine doppeltwirkend hergestellt und dadurch zur Erzeugung drehender Bewegung geeignet gemacht wurde. Die Bezeichnung „Woolf'sche Maschine,“ die allerdings allgemein gebräuchlich ist, ist daher eigentlich eine falsche. Die Maschine ist ganz und allein Hornblower's Erfindung, und man müßte mit demselben Grunde, mit welchem man dieselbe als Woolf'sche bezeichnet, die gegenwärtige Cornwallmaschine die Trevithick'sche nennen. Woolf hatte von den Gesetzen der Expansion des Hochdruckdampfes eine sehr rohe Vorstellung, und es ist kaum begreiflich, wie ein Mann von so vielseitigem praktischen Wissen in den Hypothesen, auf welche er die Vortheile des Hochdruckdampfes gründete, sich so arg täuschen konnte. Dagegen hat er ein großes Verdienst um die Ausführung der einzelnen Theile; in dieser Beziehung sind seine Verbesserungen der Dampfmaschine fast zahllos, denn es gibt fast keinen Theil derselben, der nicht aus seiner Hand mit einer vortheilhaften Umänderung hervorgegangen wäre. Woolf's erste Maschine wurde im Jahre 1806 in Meux's Brauerei, in welchem Etablissement er Ingenieur war, aufgestellt, und darauf folgten noch einige andere in verschiedenen anderen Fabriken; doch dienten ihm alle diese Maschinen nur zu Versuchszwecken. Im Jahre 1813 kehrte er nach Cornwall zurück, und hier fand er ein weites Feld für seine Verbesserungen. Er beschäftigte sich von nun an nur noch mit der Fabrication von Dampfmaschinen und erreichte einen sehr großen Erfolg. Der Verbrauch von Brennmaterial erlitt durch die neue Lehre vom Hochdruckdampf eine vollständige Umwandlung, und die von Watt erreichte Leistung von 20 Millionen Fußpfund per Bushel (94 Pfd.) Kohle erhob sich bis auf 50 bis 60 Millionen, was einer Brennmaterialersparniß von 2/3 entspricht. Trotz dieser günstigen Resultate, welche Woolf erreichte, wendeten sich doch bald die cornischen Ingenieure der Trevithick'schen Einrichtung zu, weil sie einfacher war, als die Woolf'sche, und doch gleich gute Resultate versprach. Versuche in großem Maaßstabe, bei denen Woolf selbst zugezogen wurde, bestätigten diese Ansicht. Man verließ allmählich bei den Bergwerken die kostspielige Woolf'sche Maschine und stellte die Cornwallmaschine in ihrer einfachsten Gestalt her; d.h. man construirte eine Watt'sche Maschine und führte ihr nach Trevithick's Angabe Hochdruckdampf zu. So wurde denn die zweicylindrige Maschine zum zweitenmale aufgegeben, bis sie in der neueren Zeit zum drittenmale erscheint. Bei dieser erneuten Wiederaufnahme haben viele Ingenieure mitgewirkt; der Verf. beschränkt sich aber bei seiner Darstellung auf dasjenige, was ihm aus eigener Erfahrung bekannt ist. Im Jahre 1848 faßte die Lambeth-Wasserwerks-Gesellschaft, auf den Rath ihres Ingenieurs James Simpson, den kühnen Plan, den Ort ihrer Wasserentnahme an das Themseufer bei Long Ditton zu verlegen, um dem Einfluß der Ebbe und Fluth weniger ausgesetzt zu seyn; dieß ergab zugleich die Nothwendigkeit, das Wasser mittelst eines Dampfpumpwerks durch eine Röhrenleitung von 9 engl. Meilen Länge und 30 Zoll Durchmesser von dem Punkt der Entnahme bis nach den Reservoirs bei Brixton Hill zu leiten. Die Aufgabe war eine sehr schwierige, da man über Wasserleitungen von solcher Länge und Weite noch keine Erfahrungen hatte. Die große, durch die ganze Leitung hindurch in Bewegung befindliche Wassermasse, in Verbindung mit der Sprödigkeit des Gußeisens, erforderte, daß die Bewegung möglichst gleichförmig vor sich gehe und Erschütterungen oder Schwankungen im Druck möglichst zu vermeiden seyen, wenn man nicht häufigen Röhrenbrüchen, die zu sehr ernsten Folgen für den von der Leitung berührten Bezirk führen konnten, entgegensehen wollte. Eine andere Rücksicht war bei der bedeutenden Stärke der Dampfkraft auf möglichst ökonomischen Betrieb zu nehmen. Die Cornwallmaschine, die durch Wicksteed in London eingeführt worden war, hatte zwar damals schon eine ziemlich ausgedehnte Verbreitung bei Wasserwerken, die sie ihrem billigen Betriebe verdankte, allein man fürchtete die Ungleichmäßigkeit des Ganges und nahm deßhalb die zweicylindrige Maschine in Aussicht. Wegen der Wichtigkeit des Gegenstandes, der einer gründlichen Beleuchtung bedurfte, wurde der Verf. beauftragt, in Gemeinschaft mit David Thomson den Plan im Allgemeinen zu prüfen und dabei im Besondern die Ersparniß im Auge zu behalten. Als man zur Prüfung schritt, stellte sich heraus, daß die zweicylindrige Maschine bereits von neuem in Gebrauch genommen war und daß einzelne Exemplare derselben, zum Theil von bedeutender Größe, kurz vorher an verschiedenen Orten aufgestellt worden waren. Dieselben wurden besucht und ihre Wirkung sorgfältig geprüft. Der Erfolg war im Allgemeinen kein günstiger; denn es war weder einerseits das Expansionsprincip genug ausgebeutet, um wesentliche Brennmaterialersparniß zu geben, noch war andererseits für möglichste Gleichförmigkeit der Bewegung hinreichend Sorge getragen, und die Anordnung der Schieber und Dampfwege war meistens so mangelhaft, daß sie zu großem Kraftverlust und zu Brennmaterialverschwendung Anlaß gab. Trotz dieser ungünstigen Resultate führte eine aufmerksame Betrachtung der Principien, auf denen die Maschine beruht, zu dem Schlusse, daß dieselbe, planmäßig entworfen und sorgsam ausgeführt, für den vorliegenden Fall sich nicht nur vorzüglich eignen würde, sondern auch einen größeren Gewinn durch die Expansionswirkung verspräche, als man von einer eincylindrigen Maschine mit drehender Bewegung erwarten dürfte. Auf Grund hierauf wurden, als der neue Plan für die Lambeth-Wasserwerke zur Ausführung kam, vier große zweicylindrige Maschinen von zusammen 600 Pferdestärken entworfen, deren Betrieb die gehegten Erwartungen vollständig gerechtfertigt hat. Seitdem hat sich die Anwendung solcher Maschinen rasch und in weiten Grenzen verbreitet; die Richtigkeit des Constructionsprincips kann nunmehr als erwiesen gelten. Was nun die Vortheile der zweicylindrigen Maschine betrifft, so muß zunächst vorausgesetzt werden, daß die Intensität der Expansionswirkung in der zweicylindrigen Maschine nicht größer ist, als in der eincylindrigen. Die letztere arbeitet aber an verschiedenen Stellen des Hubes unter verschiedenem Druck. Nehmen wir z.B. eine sechsfache ' Expansion an und setzen den durchschnittlichen Druck 100, so ist in einer eincylindrigen Maschine der Druck zu Anfang 215 und zu Ende 36. Ein so bedeutender Drucküberschuß bei Beginn des Kolbenhubes verursacht Stöße, welche sich durch die ganze Maschine fortpflanzen und mancherlei Uebelstände hervorrufen. Bei noch stärkerer Expansion wird das Nebel noch größer. Aus diesem Grunde ist es nicht möglich, bei eincylindrigen Maschinen mit rotirender Bewegung die Expansion so weit zu treiben wie bei eincylindrigen Maschinen mit nur geradliniger Bewegung, bei welchen der erste Antrieb auf die Ueberwindung der Gestängmasse verwendet wird. Bei rotirender Bewegung dagegen muß die Kurbel mit dem Schwungrad den Stoß aufnehmen, und zwar jedesmal im todten Punkte, der gerade hierzu am wenigsten geeignet ist. Zweicylindrige Maschinen vermindern diesen Uebelstand und gestatten somit bei richtiger Construction eine stärkere Expansion. In den früheren zweicylindrigen Maschinen von Hornblower und von Woolf arbeitete der Dampf im kleinen Cylinder nur mit Volldruck und expandirte sich erst im großen, so daß das Verhältniß zwischen den Fassungsräumen der beiden Cylinder zugleich das Expansionsverhältniß ausdrückte. Diese Art des Betriebes war bis zum Jahre 1848 die herrschende. Später erkannte man, daß es zweckmäßiger sey, schon im kleinen Cylinder eine gewisse Expansionswirkung eintreten zu lassen, und es war nun die Aufgabe zu lösen, diejenige Cylinderfüllung zu bestimmen, welche bei einem gegebenen Expansionsgrad den kleinsten Ungleichförmigkeitsgrad ergibt. Bleiben wir bei dem Beispiel für sechsfache Expansion stehen, so ist der anfängliche Druck in einer zweicylindrigen Maschine, in welcher der kleine Kolben mit Volldruck arbeitet, gerade wie bei der eincylindrigen, 215, dauert aber nur einen Augenblick, während er bei der eincylindrigen 1/6 des Hubes fortdauert. Sperrt man dagegen den Dampf im kleinen Cylinder bei 41 Proc. des Hubes ab, so wird der anfängliche Druck auf 140 reducirt, und dieß ist das Minimum, das man für sechsfache Expansion erhält. Würde man z.B. schon bei 25 Proc. des Hubes absperren, so würde der anfängliche Druck sich bis auf 161 erheben. Man findet dieß durch folgende Rechnung. Ist A der Querschnitt des großen Cylinders, a der Querschnitt des kleinen Cylinders, L der Hub, l die der Cylinderfüllung entsprechende Hublänge, p die Spannung des frischen Dampfes, q die Spannung im Condensator, so wird der Druck auf beide Kolben bei irgend einer Hublänge x, die kleiner als l ist, ausgedrückt durch Textabbildung Bd. 172, S. 409 Unter Vernachlässigung des Gegendrucks wird hiernach der Druck auf beide Kolben zu Anfang des Hubes, also für x = 0, y = ap + (A – a) p l/L. Bezeichnet man in dieser Gleichung die gesuchte Veränderliche l/L durch z und das gegebene Expansionsverhältniß AL/al durch E, so wird y = Ap (1/Ez + z – 1/E). Dieser Werth geht in das Minimum über für dy/dz = 0 = – 1/Ez² + 1 oder z = √1/E. Hiernach wird Textabbildung Bd. 172, S. 409 Die folgende Tabelle enthält in der ersten Rubrik den gegebenen Expansionsgrad E, in der zweiten das günstigste Verhältniß l/L = z, in der dritten das entsprechende Verhältniß zwischen den Fassungsräumen der Cylinder a/A = 1/Ez = z, in der vierten das Verhältniß des anfänglichen Drucks zum durchschnittlichen Druck bei der zweicylindrigen Maschine, Textabbildung Bd. 172, S. 410 in der fünften dasselbe Verhältniß bei der eincylindrigen Maschine, Textabbildung Bd. 172, S. 410 Günstigste Fassungsraum des Anfänglicher Druck Expansionsgrad. Cylinderfüllungdeskleinen Cylinders. kleinen Cylindersim Verhältnißzu dem des großen. bei derzweicylindrigenMaschine. bei dereincylindrigenMaschine. Proc. Proc. Proc. Proc.   4 50 50 126 168   6 41 41 140 215   8 35 35 151 260 10 32 32 161 303